個別化・予防医療を支援する統合計算生命科学

ポスト「京」重点課題 2
個別化・予防医療を支援する統合計算生命科学

NEWS LETTER

12Contents
・Research Report

何してるの？なぜ？どうやって？ちょっと解りやすく教えて！に研究者が応える

UT-Heart 活動だより：創薬を加速する心毒性スクリーニングシステムの開発
・Information
お知らせやイベント情報

INTEGRATEDCOMPUTATIONALLIFE
SCIENCETO SUPPORTPERSONALIZED AND
PREVENTIVE MEDICINE

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ポスト ｢京」重点課題 ２

SubthemeC

UT-Heart 活動だより創薬を加速する心毒性スクリーニングシステムの開発

東京大学大学院情報学環 寺田 透（ポスト「京」重点課題１参加者）
東京大学大学院農学生命科学研究科

根上 樹（ポスト「京」重点課題１参加者）

京都大学大学院医学系研究科・理化学研究所

奥野 恭史（ポスト「京」重点課題１責任者）

株式会社 UT-Heart 研究所 久田 俊明（ポスト「京」重点課題２サブ課題 C 責任者）
（左から）

サブ課題Ｃでは、ポスト「京」のパワーを活かし、世界で初めて心臓シミュレーションと分子シミュレーションを融合させた真のマルチスケールシミュレーションを実現することにより、医療・創薬に貢献することを目指しています。私達は具体的に二つの目標を掲げていますが、今回のUT-Heart活動だよ
り※では、その内の一つである ｢創薬を加速する心毒性スクリーニングシステムの開発」について、Newsletter Vol.5の続編としてご紹介を続けたいと思います。
薬の副作用の中でも心臓の不整脈誘発に関しては特に慎重に調べるようガイドラインが定められていますが、本システムが完成すれば細胞実験や動物実験を行うことなく計算機のみによって心臓への副作用予測が可能となり、さらにはゲノム解析に基づく個々人についてのリスク予測も可能になると考えられます。なお本研究は重点課題1と2のコラボレーションにより行われています。
※

サブ課題Cは、「UT-Heart活動だより」と題してResearch Reportに活動を掲載しています。第3回目はVol.9、第2回目はVol.5、初回はVol.1になります。

心臓の電気的興奮伝播と拍動の巧妙な仕組み
心臓は全身に血液を送るメインポンプとしての左心室に加えて、右心室、左心房、右心房の 4 つのチャンバーから構成されています。そして、右心房の隅にある洞房結節と呼ばれる箇所にあるペースメー
カー細胞が安静時は 1 秒に 1 回程度自ら電気的に興奮し、その興奮が図 1 に示されるように次々と隣接する心筋細胞に伝2

図1： UT-Heart標準モデルにおける興奮伝播の様子（心室内で網目状に見える陰影はプルキンエ線維、着色は細胞の膜電位を表す）

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播することでまず心房の興奮が起こります。次に房室結節と呼ばれる中継点を通じて心室に興奮が伝わりますが、心室には内面にプルキンエ線維と呼ばれる特殊な細胞からなる刺激伝導系が樹根状に張りめぐらされているため、同図に示されるように興奮はその伝導系を経てまず心室の内面に素早く伝わり、続いて外側に向かって心筋壁内を伝播して行きます。
ここで細胞の興奮とは、細胞を覆う細胞膜上の各種のイオンチャネルがナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオンなどを選択的に通過させた結果、細胞外に対する細胞内の電位（膜電位）が

図2：単一の心筋細胞の興奮収縮のスナップショット(左)と内部構の造模式図(右)急激に上昇する現象を指し、これを脱分極と呼びます。脱分極が生じると細胞内部の筋小胞体と呼ばれる微小器官からカルシウムイオンが放出され細胞内カルシウムイオン濃度が上昇します。するとアクチンとミオシンから構成される収縮タンパクの分子運動が活発になりサルコメアと呼ばれる収縮ユニットひいては細胞が収縮を開始します。そして最後に膜電位が元に戻り細胞も弛緩して行きます。な
お心筋細胞どうしは長軸方向に電気的にも力学的にも強く結合しており、その方向が心筋壁内でよじれるように分布していることが知られています。このような心筋細胞群の時空間にわたる巧妙な振る舞いにより、心臓は私達の体に安静時で毎分 5 リットル、運動時で毎分 25 リット
ルもの血液を拍出することができている

図3：細胞実験とUT-Heartを組み合わせたハイブリッド心毒性評価系のです。図 2 に単離した心筋細胞の興奮収縮の写真と細胞内部構造の模式図を示します。

くなると、心臓は同調して収縮できず細脈が生じるかどうかを調べることの出来動と呼ばれる状態に陥り血液を拍出する

る、細胞パッチクランプ実験と UT-Heart

薬剤による不整脈発生の予測ことが出来なくなってしまいます。これはシミュレーションを組み合わせたハイブ

致死性不整脈と呼ばれ突然死の原因とな

リッド心毒性評価系 [1] が実用レベルに心臓の拍動は、以上のように力学的なります。既 刊の Newsletter Vol.5 では、到達しつつあることをご紹介しました。

収縮に先立って電気的に興奮するところ

薬の副作用によって各種のイオン電流を

図 3 はその概要を示します。そして同図から始まりますが、もし電気的興奮が乱通過させるイオンチャネルの機能が阻害中の赤枠で囲った実験系を分子シミュれ最悪の場合興奮波が渦を巻き止まらなされバランスが崩れた場合、深刻な不整レーションに置き換え、候補化合物が与3

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えられれば細胞実験を行うことなく計算分子シミュレーションを行うことにより、機のみによって心臓への副作用予測が可テーラーメードの不整脈発生リスクの予能となるシステムを作るのが、このポスト測も可能になります。本プロジェクトの「京」プロジェクトで私達が目指すところ

分子シミュレーション部は重点課題 1（課分子シミュレーションを行うためには、です。これが将来完成すれば、時間とコ

題責任者：奥野 恭史）との協同により寺イオンチャネルの立体 構 造データが必ストのかかる創薬における副作用評価の田のグループが担当します。以下に分子要です。本プロジェクト開始時点（2015

過程を合理化できるだけでなく、例えばシミュレーションによるイオンチャネルの年）では、心筋イオンチャネルの立体構

ある個人のゲノム解析の結果イオンチャモデル化と薬剤による阻害のシミュレー造が決定されていなかったため、代わりネルに変異があると分かった場合、そションについて概要をご説明したいと思に神経系のイオンチャネルを用いて研究の変異体イオンチャネルモデルを用いたいます。

を行いました。図 4 は研究対象としたカ図4：カリウムイオンチャネルの立体構造

図5：電位センサードメインの構造変化の模式図

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イオンチャネルの構造と動作

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リウムイオンチャネルの立体構造を示しを再現する動作モデルが作られていま的 な 方 法 に、 分 子 動 力 学（Molecularています。このイオンチャネルは 4 つのす。このモデルでは、4 つの電位センサー

Dynamics; MD） 法 が あります。MD 法サブユニットが会合したホモ 4 量体構造ドメインが独立に Down 状態と Up 状態

では、タンパク質を構成する原子の間にをとっています。カリウムイオンは 4 回の間を遷移し、4 つの電位センサードメ

働く力を用いてニュートンの運動方程式

回転対称軸に沿って存在する細孔を通っインが全て Up 状態になると、イオンをを解くことで、タンパク質の運動をコンて移動します。細孔を取り囲む構造（細透過する開（Open）状態となり、さらにピュータの中に再現します。これを MD孔ドメイン）の周りには、電位センサー一定の速度でイオンを透過しない不活性シミュレーションと呼びます。タンパク質ドメインが存在します。電位センサード化（Inactive）状態に遷移すると仮定しての運動を正しく再現するためには、タンメインは図 5 に模式的に示すように 4 本います。これらの仮定は、基本的にどのパク質の周囲の環境を構成する原子とののヘリックスからなり、N 末端側から順電位依存性イオンチャネルでも成り立つ相互作用も考慮する必要があります。とに S1、S2、S3、S4 と呼ばれます。このと考えられています。本プロジェクトでは、くに、イオンチャネルは脂質二重層と呼うち、S4 には正に荷電したアミノ酸が多

先ず電位センサードメインの Down 状態ばれる構造からなる細胞膜に埋め込まれく存在し、興奮が生じていない分極状態と Up 状態の間の遷移の速度定数を、分ているので、脂質分子や細胞膜の両側にでは、細胞外から細胞内に向かう電場に子シミュレーションを用いて決定する方存在する水分子との相互作用を考慮する

引っ張られて細胞内側に移動し（Down法の開発を行いました。

必要があります。このため、本研究では、図 6 に示すように、カリウムイオンチャネ状 態）、チャネルの閉鎖を誘導します。
一方、脱分極状態では、細胞内から細胞外に向かう電場により、S4 は細胞外側に移動し（Up 状態）チャネルが開きイオンチャネルの動作モデルの構築ます。このイオンチャネルの動作は、実イオンチャネルなど、 タンパク質の験でもよく研究されており、実験データ

立体 構 造 の 変 化を 追 跡 する最 も直 接ルの立体構造から電位センサードメインを取り出し、これを水和した脂質二重層に埋め込むことで、電位センサードメインが動作する環境を再現しました。
ニュートンの運動方程式は、3 原子以

図6：脂質二重層と水分子に埋め込まれた電位センサードメイン5

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上の系では解析的に解くことができないの遷移は、全過程の遷移に比べてずっと記述するマルコフ状態モデルを構築しまため、タンパク質の系のように多数の原速く起こるため、現実的な時間で追跡すした。これに、膜電位による電場の影響子から成る系では、数値的に解く必要がることができます。そして、MD シミュレーを組み込み、電位センサードメインの電あります。ここでは、短い時間刻みΔ tションの軌跡（トラジェクトリ）から中間位依存的な運動を記述するマルコフ状態を用いて、時刻 t における各原子の位置状態の間の遷移速度定数を求め、これモデルを完成しました。図 7 は、Downと速度から、Δt だけ先の時刻 t + Δt にを組み合わせることで、全過程の運動を状 態 から Up 状 態、 および Up 状 態 かおける位置と速度を求めるというように、逐次的に解いていきます。時間刻みΔ tは最も速い運動（タンパク質の系の場合C–H 共有結合の伸縮運動など）の 10 分の 1 程度にする必要があるため、通常は1 フェムト秒（10 -15 秒）程度に設定します。
一方、電位センサードメインの構造遷移には 10 ミリ秒（10 -2 秒）程度かかるため、これを、分子動力学法を用いて再現するためには、上記の逐次計算を 1013 回繰り返す必要があります。この繰り返し計算は、スーパーコンピュータを用いても 1日に 108 回が限界ですので、10 ミリ秒のシミュレーションを達成するには、105 日、すなわち 274 年かかることになります。
この問題を解決するため、ここでは構造遷移が多数の中間状態を経て起こることに注目し、これら中間状態から出発した
MD シミュレーションを、多数並行して

図7：Down状態・Up状態間の遷移に要する時間の膜電位依存性実行しました。中間状態から中間状態へ

図8：モデル化されたイオンチャネルの開閉挙動

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CらDown 状態に到達するのにかかる時間とが可能であることを示すため、似た性（平均第一通過時間 ; mean first passage

質を持つ心筋イオンチャネルの 1 つ IKstime; MFPT）の膜電位依存性を示していを、このモデルに置き換えて心臓のシミュます。膜電位 V m の低い分極状態では、レーションを行いました。図 9 に得られUp 状態から Down 状態に到達するのにた心電図を従来のものと比較して示しま

既に述べましたように、一部の薬剤はイかかる時間の方が、逆の過程より短いこす。今回用いたイオンチャネルは心筋のオンチャネルの細孔に結合してイオンのV m の高い脱分極とがわかります。逆に、ものに比べて動作が速いためイオン電流通過を阻害し、致死的な不整脈を引き起状態では、Down 状態から Up 状態に到の振れ幅が大きくなるという違いが生じ、こすことが知られています。本プロジェク

達するのにかかる時間の方が短くなってその結果 QT 間隔がやや短くなりました

トでは、分子シミュレーションを用いて、います。この結果を元に、イオンチャネが、心臓の拍動を安定に再現することがこれらの薬剤とイオンチャネルの相互作

ル全体の動作モデルを図 8 左パネルのよできました。後述するように、2017 年に用の予測にも取り組んでいます。ここでうに構築しました。図 8 右パネルに示す

心筋イオンチャネルの 1 つ hERG の立体は、分子シミュレーションの手法として、ように、膜電位を上昇（脱分極）させると構造が決定されましたので、現在、以上ドッキングシミュレーションと自由エネル

細孔が開き、低下（分極）させると細孔で開発した方法を hERG の電位センサーギー計算を用いています。ドッキングシが閉じるという、イオンチャネルの電位ドメインに適用する作業を行っているとミュレーションは、薬剤など低分子化合依存的な動作が再現されています。なお、

ころです。今後、他の心筋イオンチャネ物（リガンド）のモデルをタンパク質の表

ここで対象としたイオンチャネルは神経ルについても立体構造が決定されていけ面にあるくぼみにはめ込み、リガンド原系で機能しているものであるため、心筋

ば、UT-Heart に含まれる主なイオンチャ子とタンパク質原子の間の距離などの情に存在するイオンチャネルとは異なりまネルのモデルを、分子シミュレーション報をもとに、経験的なスコア関数を用いすが、まずは分子シミュレーションに基に基づくモデルに置き換えることができて結合自由エネルギーを予測する手法でづくモデルを UT-Heart と連成させるこます。

す。ここで、結合自由エネルギーは、タ薬剤とイオンチャネルの相互作用の予測

図9：従来のUT-Heartにおける心電図（上段）と分子シミュレーションをもとに得られた心電図（下段）7

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ンパク質とリガンドの結合状態の自由エ

薬剤による不整脈の誘起に最も強くかかは同じサブユニット由来であるという違ネルギーから解離状態の自由エネルギーわっていると考えられています。相互作いがあります。薬 剤は、細胞内側からを差し引いたもので、絶対値の大きい負用の予測においても、イオンチャネルの細孔に結合すると考えられています。この値をとるほど、リガンドがタンパク質立体構造データが必要となるため、プロのため、この領域を探索範囲に指定し、に強く結合すると言えます。しかしドッジェクト当初はhERGの細孔ドメインの立hERGに対する結合自由エネルギーの実キングシミュレーションでは、計算負荷体構造を予測（モデリング）し、これを験値が得られている47種類の薬剤につを軽減するために、リガンド結合に伴う用いて薬剤との相互作用の予測を行っていて、これらを結合させるドッキングシタンパク質の構造変化を無視しているういました。しかし、2017年5月に、hERGミュレーションを行いました。実験値とえ、水分子もあらわには扱わないため、の電子 顕微 鏡 構 造が公 表されたため、計算値の間に弱い相関がみられたため、精度に限界があります。そこで、より高以降はこの構造を用いて計算を行いましここから12種類の薬剤をランダムに選び、い精度で結合自由エネルギーを予測するた。図10にhERGの立体構造を示します。

MP-CAFEE法を用 いて 結 合自由エ ネル

ために、本プロジェクトでは、MD法を用神経系のカリウムチャネル（図4）と同様ギーの計算を行いました。この結果、相いて結合自由エネルギーの計算を行いまに、ホモ4量体構造をとっており、細孔関を大幅に向上させることができました。

した。ここでは重点課題1の分担者であドメインの周囲に電位センサードメイン

この結果を用いて、hERGに対する結合る東京大学先端科学技術研究センターが存在します。ただし、神経系のカリウの強さがわかっていない新規の薬剤につの藤谷 秀章特任教授らが確立したMP-ムチャネルでは、細孔ドメインに近接しいて、結合自由エネルギーを予測する手CAFEE法[2]を用いて計算を行いました。ている電位センサードメインが隣のサブ順は次の通りです。まず、その薬剤を上カリウムチャネルの一つであるhERGは、ユニット由来であるのに対して、hERGで記と同様にhERGにドッキングさせます。

図10：hERGチャネルの立体構造

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次にこの複合体構造にMP-CAFEE法を適用し、結合自由エネルギーの計算を行い分からない臓器レベルでの不整脈発生リポスト「京」による時代を先取りした研究への取り組み

スクを心臓シミュレーションから評価すとで、最終的な結合自由エネルギーの予従来の心毒性のスクリーニングは、ガイ後詰めて行かなければならない個所は幾測値を算出します。なおチャネルの阻害ドラインに従いhERGチャネルの阻害とヒつもありますが、私達は従来の発想にと定数ひいてはUT-Heartシミュレーション

ト心電図における QT 間隔の延長を主ならわれることなく、ポスト「京」という計に必要なIC50やHill係数は、この結合自指標として行われて来ましたが、擬陽性算機の飛躍的な進歩に相応しい挑戦的由エネルギーから簡単な計算式で求めるが多いと言われており、現在複数のイオ研究を行っていくことがこのプロジェクトことが出来ます。

ンチャネルの阻害による複合効果と細胞に課せられた使命であると考え、そのた薬剤による不整脈の誘起に関わるイオンレベルでのシミュレーションを念頭に置めの技術開発を世界に先駆けて行っていチャネルはhERGの他にも複数存在しまいたガイドライン改訂へ向けての国際的ます。

す。しかし現時点ではhERG以外はそのな検 討が米国FDAを中心に進められて立体構造が決定されていないため、モデいます。一方、既述のように複数のチャMP-CAFEE法を開 発された 藤 谷先 生はリングに頼らざるを得ません。このため、ネルに対する細胞パッチクランプ実験と2019年1月に急逝されました。ここに謹

現在は、ナトリウムチャネルについてモデ

UT-Heartを組み合わせればQT 間隔が延んでご冥福をお祈り致します。

リングを行い、このモデル構造を用いて長しても不整脈が発生しない場合がある相互作用の予測を行っています。実験値ことが既に示されています [1]。今回のとの相関はまだ十分ではありませんが、Newsletter で紹介しましたプロジェクト

今後モデルを改善していくことで、精度では、複数のイオンチャネルに対する阻を向上させていくことができると期待し害率を分子シミュレーションから求めるています。

点、そして単一細胞の挙動だけからではます。この値を、上記12種類の薬剤の実験値と計算値の回帰直線に当てはめるこ

重点課題１

る点、で国際的な動向の二歩先を行っていると言うことが出来ます。もちろん今重点課題２＜参考文献＞[1] Okada J, Yoshinaga T, Kurokawa J, Washio T, Furukawa T, Sawada K, Sugiura S, Hisada T. Screening system for drug-induced
arrhythmogenic risk combining a patch clamp and heart simulator. Science Advances . 2015;1(4).
[2] Fujitani H, Tanida Y, Ito M, Jayachandran G, Snow CD, Shirts MR, Sorin EJ, Pande VS. Direct calculation of the binding freeenergies of FKBP ligands. J. Chem. Phys . 2005; 123 084108.

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ポスト ｢京」重点課題 ２■ Information
News & Events

The 1st R-CCS International Symposium

K and Post-K: Simulation, BigData andAI supporting Society 5.0⃝Date : February 18(Mon)-19(Tue)⃝Venue : Room 301, Kobe International Conference Center,Kobe, Japan (Kobe, Hyogo)⃝Web : https://www.r-ccs.riken.jp/R-CCS-Symposium/2019/〇 Talk【出展報告】2018年度 理化学研究所計算科学研究センター 一般公開
⃝日程：11月23日(金・祝) 10:00 ～ 16:30⃝場所：理化学研究所計算科学研究センター (兵庫県神戸市)⃝入場：無料⃝Web：

http://www.r-ccs.riken.jp/jp/outreach/library/event/
openhouse2018.html〇 ブース出展⃝Date : February 18(Mon) 13:00 ～ 14:00⃝ Session : Distinguished Achievements in K and related toPost-K (1)⃝ Speaker : Takumi Washio (UT-Heart Inc.), Ryo Kanada(RIKEN), Xiaoke Cui (UT-Heart Inc.), Seiryo Sugiura (UT-HeartInc.), Yasushi Okuno (Kyoto Univ.) , Toshiaki Hisada (UT-HeartInc.)⃝Title :Beating heart simulation driven by three dimensional
molecular dynamics model

第30回 日本医学会総会 2019 中部⃝日程：4月27日(土) ～ 29日(月・祝)⃝場所：名古屋国際会議場、ウイングあいちほか(愛知県名古屋市)⃝主催：日本医学会⃝Web：http://isoukai2019.jp/index.html⃝場所：6F講堂

ポスト「京」重点課題の研究紹介や工作体験などを行う「神戸スパコンシミュレーション」にて、ブースを出展しました。今年のテーマは、「健康×医療×スパコン－未来はここでとっくにはじまっている－」として、研究概要の紹介ポスター展示とゲーム体験を行いました。この体験では、小学校低学年を対象にした「臓器の絵合わせカードあそび」のほか、子どもから大人まで夢中になれる「クロスワード」を難易度別に2つ用意しました。そのうちの一つ「大人向けクロスワード」は、中学校理科などの用語からポスト「京」重点課題２に関係する専門用語まで幅広く計算生命科学に関する言葉が入っており、難易度が超難レベルでした。それだけに解き終えた時は感激のあまり「やったー！」と両手を挙げて喜ぶ姿や、ポスターにある答えを楽しそうに探す姿が印象的でした。一般公開で大人気だった「クロスワード」、私も解いてみたい！方は、事務局までご連絡ください。

市民公開講座パネルディスカッション～ AIが命を救い、新薬を開発する！～人工知能が切り開く未来医療(柱1-1-4 )⃝日時：4月28日(日) 14:00 ～ 16:00⃝場所：第28会場 ウイングあいち 大ホール

〇 講演

⃝演者：宮野 悟 (東京大学医科学研究所)⃝ タイトル：人工知能パワースーツを装着した医師によるがんゲノム医療文部科学省

ポスト「京」開発事業

ポスト「京」重点課題は、国家基盤技術としてスーパーコン重点的に取り組むべき社会的・科学的課題に関するアプリケーション開発・研究開発

ピュータ「京」の後継機となるポスト「京」を活用し、国家的重点課題2 個別化・予防医療を支援する統合計算生命科学に解決を目指す社会的・科学的課題に戦略的に取り組み、Integrated Computational Life Science to Support Personalized and Preventive Medicine

世界を先導する成果の創出を目指す文部科学省の事業です。
重点課題 2「個別化・予防医療を支援する統合計算生命科学」は、東京大学医科学研究所を代表機関として、ポスト「京」■ 問い合わせ先によって初めて実現できる「情報の技術」、「物理の原理の国立大学法人東京大学医科学研究所

ヒトゲノム解析センター

DNA 情報解析分野応用」、そして「ビッグデータの活用」により、病態の理解

ポスト「京」重点課題 2 個別化・予防医療を支援する統合計算生命科学 事務局と効果的な治療の探索法の研究を行い、その成果を個別化・〒 108-8639 東京都港区白金台 4-6-1

ることを目的としています。

E-mail：icls-office @ hgc.jp

TEL：03-5449-5615

URL：http://postk.hgc.jp/

FAX：03-5449-5442

予防医療へ返す支援基盤となる統合計算生命科学を確立す

COVER PHOTOGRAPH : Winter LandscapeNEWS LETTER VOL.12 2019.2